Dr Petri Turhanen arbetade på en syntes av en modifierad version av den biologiska molekylen adenosintrifosfat (ATP), när han upptäckte att katjonbytarhartset han använde oavsiktligt producerade en annan molekyl. Närmare undersökningar visade att molekylen hade joderats, vilket betyder att en jodatom hade tillsatts. Denna specifika reaktion är utmanande att utföra med nuvarande syntestekniker, som ofta är beroende av giftiga och farliga kemikalier och svåra reaktionsförhållanden.

När en miljökris hägrar, Att minska vår påverkan på planeten blir mer relevant än någonsin. Du kan finna trygghet i att göra samvetsgranna livsstilsval, men för många finns det ett problem som är svårt att ignorera:hur är det med den mindre synliga användningen av resurser? Hur är det med avfallet och transporterna som sker på industriell nivå – de processer som förser oss med mediciner, kosmetika och andra produkter?

Att hantera miljöpåverkan från dessa processer faller ofta under uppdraget "grön kemi, " konceptet att designa kemiska processer med minimal påverkan på miljön. Efterfrågan på tekniska lösningar ökar, och förhoppningen är att vi människor kan minska vårt beroende av skadliga och icke-förnybara resurser, och begränsa farliga biprodukter från industrin, samtidigt som vi bibehåller eller förbättrar vår nuvarande livskvalitet.

Anslutning av kol

Mycket av organisk kemi - att bygga kolbaserade molekyler - handlar om skapandet av bindningar mellan kol och andra atomer, som kväve, syre, bor, svavel, fosfor eller ett andra kol. Att koppla ihop dessa atomer är den heliga gralen för organisk kemi eftersom det tillåter kemister att bygga upp olika typer av organiska föreningar. Eftersom livet är kolbaserat, "många av de viktigaste läkemedlen är också kolbaserade, organiska molekyler.

Men att skapa dessa band är inte alltid lätt. Molekyler som innehåller kol-jod (C-I) bindningar används ofta som mellanliggande molekyler, som en byggnadsställning som gör det möjligt att syntetisera större organiska molekyler. Detta beror inte bara på att C-I-bindningar är relativt lätta att bilda, men jod är också ganska lätt att ersätta med en annan atom.

Dessa "joderade" föreningar kan också användas för mer än att bara förenkla syntesen. Jod har viktiga isomerer, tycka om ¹²³ jag, ¹²⁴ jag och ¹²⁵ Jag, som är radioaktiva. Radioaktiva joderade organiska molekyler används i hälsotillämpningar som positronemissionstomografi (PET-skanning), cancerterapi och diagnostik. Men de kemiska reaktioner som utförs på industriell nivå för att skapa dessa viktiga joderade föreningar använder ofta giftiga utgångsmaterial, skadliga lösningsmedel och till och med tungmetaller som katalysatorer.

Metoder för jodering

De traditionella metoderna för att jodera molekyler kan använda I2 som en källa till jodid, och för vissa reaktioner fungerar detta mycket bra. Dock, för reaktioner som kräver en högre temperatur, det finns ett problem. Med väldigt lite värme, jod kan sublimera, vilket betyder att det går direkt från fast tillstånd till att vara en gas.

För vissa föreningar, andra metoder behövs för att framgångsrikt jodera. Men dessa metoder kan knappast anses vara miljövänliga:de involverar farliga reaktanter som väteperoxid, trimetylsulfoniumjodat och jodmonoklorid, och lösningsmedel som diklormetan, dioxan och tetrahydrofuran – föreningar som är skadliga, om inte giftigt, carcinogen, miljöskadliga eller explosiva.

Oväntad upptäckt

Det är här Dr Petri Turhanen, forskare vid Östra Finlands universitet, gjorde en oväntad upptäckt. När man utvecklar en syntesväg för ett derivat av ATP, en viktig molekyl i celler, hans forskargrupp fann att bland deras avsedda produkt fanns en annan produkt som de inte förväntade sig. Att köra NMR-tester på denna förening bekräftade dess identitet. Där utgångsmaterialet hade en dubbelbindning mellan två kolatomer, denna molekyl hade en enkelbindning, och en extra atom på båda kolen – ett väte och ett jod.

Tilläggsreaktioner

Denna typ av reaktion - att bryta en dubbel kolbindning för att lägga till två atomer - är känd som en additionsreaktion. Det finns några metoder för att utföra tillsats av väte och jod över koldubbelbindningar, förutsatt att dubbelbindningen är en del av en längre kedja. Men denna specifika additionsreaktion, av väte och jod över en kolbindning i slutet av en kedja, är extremt ovanligt i litteraturen. Så varför hade denna syntes aldrig hittats tidigare?

En del av svaret ligger i de specifika material som används för att slutföra denna reaktion. Dr. Turhanens grupp använde ett ämne som för många var känt som Dowex, ett fast harts tillverkat av det kemiska polystyrensulfonatet. Dowex är ett katjonbytarharts, vilket betyder att hartset "lagrar" positiva joner, som den kan byta mot andra positiva joner. Ett exempel på användningen av detta material är i vattenmjukning, där hårt vatten leds genom natriumformen av Dowex. Hartset absorberar kalcium- och magnesiumjoner, frigör natriumjoner i vattnet. Och eftersom Dowex användningsområden är så specifika, detta är första gången som den har använts för att utföra denna typ av additionsreaktion.

Att välja den bästa jodidkällan

Sedan upptäckten av denna okonventionella användning av Dowex, Turhanen och hans team har systematiskt undersökt så många varianter av denna reaktion som möjligt. De har testat kaliumjoderna, rubidium, nickel, ammonium, mangan och antimon, men de bästa utbytena uppnås typiskt med användning av lättillgänglig natriumjodid.

Inledande testning

Initialt, Turhanen och hans team testade över 50 reaktionstyper, hitta många nya metoder för att producera jodhaltiga molekyler som sträcker sig långt bortom tillsats av väte och jod över en kol-kol dubbelbindning.

Med Turhanens metod, hela reaktionen kan ske som en "one-pot", "med begränsade steg, mindre avfall och begränsade reagenser.

En av de första reaktionerna som Turhanen upptäckte var ringöppningsreaktionen av cykliska etrar (ringar av kol där en atom är ett syre), vilket tidigare var omöjligt för vissa specifika cykliska etermolekyler. Denna reaktion skapar molekyler som kallas jodoalkanoler, som innehåller en alkoholgrupp (OH) i ena änden och en jodatom i den andra. Jodoalkanoler är värdefulla molekyler i organisk syntes, men görs vanligtvis med hjälp av reagens, som kan vara miljöskadligt. Med användning av ett katjonbytarharts och natriumjodid, Turhanens metod är mycket mer miljövänlig. Vissa cykliska etrar är särskilt svåra att öppna, typ 1, 4-dioxan, vars öppning inte har rapporterats förrän nu. De flesta av reaktionerna hittills kräver giftiga ämnen som bariumtrifluorid. Detta är inte längre nödvändigt med den nya metoden.

Di-jodider

På senare tid, Turhanen har rapporterat förmågan hos Dowex och natriumjodid att omvandla etyner-molekyler med en kol-kol trippelbindning-till di-jodider, lägga till en jodatom till båda etynkolatomerna. Testning av 12 lättillgängliga etynmolekyler visade att denna process är mångsidig och ger utbyten på upp till 78 %. Många av de framställda föreningarna har bara rapporterats ett fåtal gånger tidigare i litteraturen, och två av dem var tidigare helt okända.

Esterifiering

När du leker med parametrarna för dessa reaktioner, Turhanen och hans forskargrupp snubblade över en annan snygg upptäckt:när de använde alkoholer som lösningsmedel med karboxylsyror, några mer oväntat milda reaktionsbetingelser för att skapa estrar hittades. Estrar är föreningar som smakar, till exempel, äpple. Dessa reaktioner är ingalunda nya inom kemi, men de är viktiga utvecklingsområden inom grön kemi eftersom metylestrarna av fettsyror är huvudkomponenten i biodiesel. Förestring sker vanligtvis med temperaturer på upp till 100 °C under loppet av flera timmar eller till och med dagar. Använder Dowex, Turhanen har kunnat förestra några fria fettsyror i rumstemperatur på bara 15 minuter, med utbyten på 99%. Utvidga detta till ett mer realistiskt scenario för att skapa biodiesel, Turhanen tog prover på använd matolja från lokala restauranger och omvandlade dem till biodiesel, med en renhet över 95 %.

En liknande reaktion gör att gruppen kan skapa estrar från alkoholer och karboxylsyror under milda förhållanden. Naturliga aminosyror kan förestras utan aminogruppsskydd. Vissa typer av etrar kan också framställas med metoden. En av de mest spännande tillämpningarna av detta är selektiv företring av en av alkoholgrupperna i glukos. Den traditionella metoden för att utföra denna reaktion är en flerstegsprocess som använder skrymmande "skyddande" grupper som endast tillåter den önskade delen av glukosmolekylen att reagera. Med Turhanens metod, hela reaktionen kan ske som en "one-pot", "med begränsade steg, mindre avfall och begränsade reagenser.

Grön kemi

Egenskapen hos katjonbyteshartser som används tillsammans med natriumjodid för att fungera som ett reagens eller katalysator i så många reaktioner gör detta till ett värdefullt verktyg för organisk syntes, särskilt för att några av reaktionerna aldrig tidigare har varit möjliga.

En av de mest spännande aspekterna av denna upptäckt är den inverkan den kommer att ha på hur vissa organiska kemikalier syntetiseras. I en tid där grön kemi är en nödvändig del av att upprätthålla global välfärd, denna metod kan på ett livskraftigt sätt ersätta många av de mer miljöskadliga reaktionsförhållandena. Om skadliga reagenser, lösningsmedel och katalysatorer har traditionellt använts, organiska kemister kan nu välja det enkla, grönt lösningsmedel 2-propanol; istället för komplexa reaktioner i flera steg, vissa syntetiska rutter är nu möjliga med en "one pot"-metod; och där giftiga tungmetallkatalysatorer för närvarande används, ett återanvändbart harts kan vara lika effektivt även vid lägre temperaturer.

Personligt svar

Av de potentiella tillämpningarna av dessa nya reaktionsbetingelser, vilket tycker du är mest spännande?

"Först, den mest spännande tillämpningen var den enkla syntesen av biodiesel från använd matolja. Faktiskt, enligt min kännedom är metoden vi hittade den enda som också fungerar för delvis hydrolyserad matolja utan att bilda tvål som nuvarande industriella metoder som används för att producera biodiesel. Andra, Dowex är återanvändbart i de flesta fall såsom förestring och behöver inte ens reaktivering eller regenerering, vilket gör metoden "grön." För det tredje, att använda metoden öppnar nya reaktioner, som de vi har visat, till exempel, öppnar för första gången den 1, 4-dioxan till I(CH ₂ ) ₂ O(CH ₂ ) ₂ OH som är en viktig föregångare till polyglykolsyntes. Och det kommer fler."